CN216864385U - 一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，包括加工工作台部分和激光器部分；加工工作台部分包括工作台、电磁铁装置、金属靶材、夹具和工件；电磁铁装置包括磁轭和直流电源控制系统，磁轭的每一侧部都固装有极柱和线圈，直流电源控制系统电接线圈以使极头中心区域产生磁场；金属靶材直接固装在磁轭的中间部上，工件位于金属靶材之上且二者平行间隔布置，工件与金属靶材之间的间隔始终处于磁场区域内；激光器发出激光束，激光束经扫描振镜转向后通过聚焦透镜聚焦在工件下方的金属靶材上并与金属靶材发生相互作用。它具有如下优点：具有更高精度、更快加工速度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区。
Description
技术领域
本实用新型属于精密加工设备技术领域，尤其涉及一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置。
背景技术
透明硬脆材料往往具有高硬度、大脆性、低断裂韧性等特性，一方面，材料的弹性极限和强度非常接近，属于难加工材料，加工表面易产生微裂纹、亚表面损伤层等缺陷，另一方面，透明硬脆材料导热性差，热影响区的温度梯度高，在加工过程中容易产生热裂纹。由于工业领域对一些高精密零部件往往具有较高的尺寸与形状精度需求，采用传统的透明硬脆材料加工方法，如切割、研磨和抛光都会在工件表面产生裂纹和凹坑，而且加工精度和效率较低，远不能满足材料高精密加工的需求。
随着激光器的不断发展，超短脉冲激光的生成技术愈发成熟，其可实现超细微加工(亚微米至纳米量级)，可实现透明材料内部精密的三维加工，且热影响小，加工材料范围广，通过超短脉冲激光加工的微结构加工质量同长脉冲激光对比有很大程度的提升，但是其加工成本昂贵。
聚焦离子束加工技术曾因为其高分辨率加工特点，被看成最有潜力微纳加工手段，但是其单点加工方式低下的加工效率严重阻碍了发展，而且加工过程中需要真空环境，成本较高，加工表面质量有限，工艺昂贵，耗时多，所以其在现阶段都没有作为微纳加工手段而得到工业上的广泛运用。
激光诱导等离子体加工技术作为一种低损伤的微纳加工技术，具有更高精度、更快加工速度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区，在微纳制造领域应用前景巨大，被证明是一种新型可靠的透明硬脆材料加工工艺。激光诱导等离子体表面加工工艺对于光学元器件领域以及半导体领域是必不可少的，不仅可以用来实现材料的表面改性，而且可以用来加工出其他传统加工方法无法实现的表面微结构的加工，具备较高的加工效率和较好的加工表面质量，如：
CN201110120841.2的一种激光诱导等离子体注入基材的方法及装置，它公开了一种通过分离高能脉冲激光诱导的等离子体中的金属离子注入基材表层的方法和装置，可以有效的实现金属离子注入，但是加工过程中需要真空环境以及复杂的工件系统，加工成本较高，且不易实现材料去除加工。
CN201710850262.0的一种激光诱导等离子体加工非金属材料的装置和方法，它公开了一种透明非金属材料的加工方法，可以有效的获得相对高的非金属材料加工表面质量，但是提出的该方法只能用于微槽以及微通道加工，不能实现对特殊零件的仿形加工，且该方法加工效率较低，加工硬脆材料时不易去除硬脆材料变质层与重铸层。
实用新型内容
本实用新型提供了磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其克服了背景技术中所存在的不足。
本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，包括加工工作台部分和激光器部分；该加工工作台部分包括工作台、电磁铁装置、金属靶材、夹具和固装在夹具的工件；该电磁铁装置包括固装在工作台上端面的磁轭和直流电源控制系统，该磁轭呈开口朝上的U形结构且具有一中间部和两侧部，该每一侧部都固装有极柱和线圈，该线圈安装在极柱上且极柱具有伸出线圈的极头，该直流电源控制系统电接线圈以为线圈提供直流电使极头中心区域产生磁场；该金属靶材直接固装在磁轭的中间部上，该夹具固装在磁轭的中间部上，该工件位于金属靶材之上且二者平行间隔布置，且该工件与金属靶材位于两极头的中间位置以使工件与金属靶材之间的间隔始终处于磁场区域内；该激光器部分包括激光器、扫描振镜和聚焦透镜，该激光器发出激光束，该激光束经扫描振镜转向后通过聚焦透镜聚焦在工件下方的金属靶材上并与金属靶材发生相互作用。
一实施例之中：还包括电脑控制系统，该电脑控制系统连接激光器。
一实施例之中：该工作台为可升降工作台，该夹具为可升降夹具。
一实施例之中：该极柱穿过侧部且具有位于侧部之内的内柱段和位于侧部之外的外柱段，该线圈装设在极柱的内柱段并靠接在侧部之内侧壁，该内柱段具有伸出线圈之外的极头。
一实施例之中：该极柱通过螺套安装在侧部。
一实施例之中：该两侧部及其上的极柱、线圈轴向对称布置。
一实施例之中：该两极头半径和线圈匝数均相同。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
激光器发出激光束，激光束经扫描振镜转向后通过聚焦透镜聚焦在工件下方的金属靶材上并与金属靶材发生相互作用，金属靶材产生高温高压等离子体，一方面，运动的等离子体在磁场中会受到磁场力作用，实现等离子体调控的目的，等离子体通过靶材和工件之间的间隔，轰击工件下表面，实现材料的烧蚀和汽化，从而对其产生材料去除，具有更高精度、更快加工速度、更好表面完整性、更小暗损伤、更低表面粗糙度、更小热影响区，在微纳制造领域应用前景巨大，实现工业上高精密加工质量需求；另一方面，等离子体带电粒子在磁场中的运动受到洛伦兹力的约束，限制等离子体自由膨胀，膨胀体积的减小增加粒子间碰撞的概率，产生极化场，有利于材料加工过程中获得高表面质量并提升加工分辨率。
金属靶材直接固装在磁轭的中间部上，夹具固装在磁轭的中间部上，工件位于金属靶材之上且二者平行间隔布置，具有工序简单、使用灵活、容易实现等突出优点，应用前景巨大。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
图1为具体实施方式的磁场辅助激光诱导等离子体加工装置的结构示意图。
图2为具体实施方式的加工工作台部分的结构示意图。
具体实施方式
请查阅图1和图2，一种磁场辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的装置，包括激光器部分12和加工工作台部分。
该激光器部分12包括电脑控制系统1、激光器2、扫描振镜4和聚焦透镜5，该激光器2发出激光束3，该激光束3经扫描振镜4转向后通过聚焦透镜5聚焦，该电脑控制系统1连接激光器2。
该加工工作台部分包括可升降工作台15、电磁铁装置、金属靶材11、可升降夹具9和固装在可升降夹具9的透明硬脆材料工件10；该电磁铁装置包括固装在可升降工作台15上端面上的磁轭8和直流电源控制系统16，该磁轭8呈开口朝上的U形结构且具有一中间部和两侧部；该每一侧部都固装有极柱6和线圈14，该极柱6穿过侧部且具有位于侧部之内的内柱段和位于侧部之外的外柱段，该线圈14装设在极柱6的内柱段并靠接在侧部之内侧壁，该内柱段具有伸出线圈14之外的极头13，该极柱6通过螺套7安装在侧部，两侧部的极柱6和线圈14轴向对称布置，两极头13半径和线圈14匝数均相同；该直流电源控制系统16电接线圈14以为线圈14提供低压直流电，使极头13中心区域产生磁场，产生的磁场方向平行于主轴轴线，如图中的水平左右向。该金属靶材11直接固装在磁轭8的中间部上，该可升降夹具9固装在磁轭8的中间部上，该工件10位于金属靶材11之上且二者平行间隔布置，靶材和工件10的间隙基本为一定值，优选的，靶材和被加工表面之间的间隙为0.05-0.5mm；该透明工件10与金属靶材11相对固定地位于两极头13的中间位置，以使工件10与金属靶材11之间的空隙始终处于磁场区域内，使透明工件10在LIPAA加工过程中始终收到定向磁场作用。该金属靶材的形状为固体长方形块状，但是其表面法线方向指向靶材外部，能保证较好的等离子体发射能力，且采用固体长方形块状能提升轰击效果。该极柱、极头都由电工纯铁材料制成，该磁轭由碳钢材料制成，该磁轭通过电磁吸盘固定于工作台上。
磁场辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的过程中，可升降夹具9安装到磁轭8上，透明硬脆材料工件10通过可升降夹具9夹持，金属靶材11直接固装磁轭8之上且位于工件10与磁轭8之间。在电脑控制系统1的控制下，激光器2产生的激光束3穿过扫描振镜4和聚焦透镜5，再穿过透明工件10，辐射聚焦在工件10下方的金属靶材11上并与金属靶材发生相互作用，此时产生高温高压的等离子体并向透明工件10背面转移，从而对透明工件材料进行刻蚀加工。
具体应用实例中：利用磁场辅助激光诱导等离子体刻蚀技术加工蓝宝石衬底，蓝宝石衬底由可升降夹具9夹持，激光器采用1064nm红外激光器，激光器产生激光束聚焦在金属铜靶上，产生铜等离子体反向轰击蓝宝石衬底背面，从而产生烧蚀和汽化效果，对部分蓝宝石材料的去除，并实现表面质量优化。利用磁场提供的洛伦磁力将诱导得到的等离子体进行人为调控，用来得到一个较完善的加工表面。等离子体带电粒子在磁场中的运动受到洛伦兹力的约束，从而限制了等离子体的自由膨胀。膨胀体积的减小增加了粒子间碰撞的概率，产生极化场，有利于材料加工过程中获得高表面质量并提升加工分辨率。所述激光脉冲功率为18W，激光扫描速度为0.05mm/s，激光脉冲频率为170KHz，激光脉宽为13ns。
以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。
Claims (7)
1.一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：包括加工工作台部分和激光器部分；该加工工作台部分包括工作台、电磁铁装置、金属靶材、夹具和固装在夹具的工件；该电磁铁装置包括固装在工作台上端面的磁轭和直流电源控制系统，该磁轭呈开口朝上的U形结构且具有一中间部和两侧部，该每一侧部都固装有极柱和线圈，该线圈安装在极柱上且极柱具有伸出线圈的极头，该直流电源控制系统电接线圈以为线圈提供直流电使极头中心区域产生磁场；该金属靶材直接固装在磁轭的中间部上，该夹具固装在磁轭的中间部上，该工件位于金属靶材之上且二者平行间隔布置，且该工件与金属靶材位于两极头的中间位置以使工件与金属靶材之间的间隔始终处于磁场区域内；该激光器部分包括激光器、扫描振镜和聚焦透镜，该激光器发出激光束，该激光束经扫描振镜转向后通过聚焦透镜聚焦在工件下方的金属靶材上并与金属靶材发生相互作用。
2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：还包括电脑控制系统，该电脑控制系统连接激光器。
3.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：该工作台为可升降工作台，该夹具为可升降夹具。
4.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：该极柱穿过侧部且具有位于侧部之内的内柱段和位于侧部之外的外柱段，该线圈装设在极柱的内柱段并靠接在侧部之内侧壁，该内柱段具有伸出线圈之外的极头。
5.根据权利要求4所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：该极柱通过螺套安装在侧部。
6.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：该两侧部及其上的极柱、线圈轴向对称布置。
7.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光诱导等离子体加工装置，其特征在于：该两极头半径和线圈匝数均相同。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116689977A (zh) * | 2023-06-15 | 2023-09-05 | 江苏大学 | 一种磁场力辅助铝合金激光刻蚀制备疏水表面与强化成形的方法及装置 |
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2022
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